概述

残余应力是消除外力或不均匀的温度场等作用后仍留在物体内的自相平衡的内应力。机械加工和强化工艺都能引起残余应力。如冷拉、弯曲、切削加工、滚压、喷丸、铸造、锻压、焊接和金属热处理等，因不均匀塑性变形或相变都可能引起残余应力。

残余应力的产生

一、机械加工引起的残余应力

这是金属构件在加工中最易产生的残余应力。当施加外力时，物体的一部分出现塑性变形，卸载后，塑性变形部分，限制了与其相邻部分变形的恢复，因而出现了残余应力。

构件在外力作用下出现局部的塑性变形，当外力去除时，这些局部的塑性变形限制了整个截面变形的恢复，因此产生了残余应力。这种由局部塑性变形引起的残余应力，在很多加工工艺中均会出现，如锻压、切削、冷拔、冷弯等等。这种残余应力往往是很大的。

二、温度不均匀引起的残余应力

这种残余应力的产生主要有以下两种原因:第一是由于温度不均匀造成局部热塑性变形;第二是由于相变引起的体积膨胀不均匀造成局部塑性变形。

1、于热塑性变形不均而产生的残余应力

金属材料在高温下其性能将发生很大的变化，如屈服极限、弹性模量等都随温度的升高而下降。如果构件上温度场的温度阶梯较大，则屈服极限和弹性模量的分布也是不均匀的，因此在高温下出现的热塑性也是不均匀的。

2、因组织改变而产生的残余应力

三、构件尺寸公差引起的残余应力

在焊接、铆接、螺钉连接时往往有公差配合问题。如船体分段对接时必须将对接钢板拉到一起，这些由外力拉到一起而组合的结构，当外力去除后，整个系统就出现了残余应力。这种应力一般来说属于结构应力，大多数情况下处于弹性状态。

残余应力的分类

按照残余应力平衡范围的不同，通常可将其分为三种:

(1)第一类内应力，又称宏观残余应力，它是由工件不同部分的宏观变形不均匀性引起的，故其应力平衡范围包括整个工件。例如，将金属棒施以弯曲载荷，则上边受拉而伸长，下边受到压缩;变形超过弹性极限产生了塑性变形时，则外力去除后被伸长的一边就存在压应力，短边为张应力。这类残余应力所对应的畸变能不大，仅占总储存能的 0.1%左右。

(2)第二类内应力，又称微观残余应力，它是由晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀性产生的。其作用范围与晶粒尺寸相当，即在晶粒或亚晶粒之间保持平衡。这种内应力有时可达到很大的数值，甚至可能造成显微裂纹并导致工件破坏。

(3)第三类内应力，又称点阵畸变。其作用范围是几十至几百纳米，它是由于工件在塑性变形中形成的大量点阵缺陷(如空位、间隙原子、位错等)引起的。

变形金属中储存能的绝大部分(80%~90%)用于形成点阵畸变。这部分能量提高了变形晶体的能量，使之处于热力学不稳定状态，故它有一种使变形金属重新恢复到自由焓最低的稳定结构状态的自发趋势，并导致塑性变形金属在加热时的回复及再结晶过程。

残余应力的影响

残余应力一般是有害的，如零件在不适当的热处理、焊接或切削加工后，残余应力会引起零件发生翘曲或扭曲变形，甚至开裂。或经淬火、磨削后表面会出现裂纹。残余应力的存在有时不会立即表现为缺陷，而当零件在工作中因工作应力与残余应力的叠加，使总应力超过强度极限时，便出现裂纹和断裂。

零件的残余应力大部分都可通过适当的热处理消除。

残余应力有时也有有益的方面，它可以被控制用来提高零件的疲劳强度和耐磨性能。

1、对金属材料屈服极限的影响

2、残余应力对疲劳寿命的影响

3、残余应力对构件变形的影响

4、残余应力对金属脆性破坏的影响

5、残余应力对应力腐蚀开裂的影响

消除方法

残余应力消除的方法目前有三种

1、就是自然时效，通过自然放置消除应力，这种方法耗时过长，难以适应现代科技及生产需要;

2、是最传统、也是目前最普及的方法--热时效法，把工件放进热时效炉中进行热处理，慢慢消除应力。这种方法的缺点也非常显著，比如卫星制造厂对温度控制要求非常严格的铝合金工件以及长达十米或者更大的巨型工件都无法用这种方法处理。而且这种方法还带来了大量的污染和能源消耗，随着中国及世界范围内对环保的进一步要求，热时效炉的处理方式马上面临全面退出的境地。

3、振动时效，振动时效介于自然时效和热时效间的方法。振动时效投资少，便携，使用方便、无污染，节约能源降低成本，可消除残余应力20-50%，这是目前使用最多的一种方法。

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